減施氮肥對設(shè)施黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤氮素平衡的影響

郭潤澤，楊 揚，王艷群，孫坤雁，彭正萍，姚培清，謝 彬，門明新

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071001；2. 青縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 滄州 062650；3. 張北縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 張北 076450）

我國設(shè)施蔬菜播種面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值分別占蔬菜總量的21.5%、30.5%和62.75%，菜農(nóng)對設(shè)施蔬菜的管理經(jīng)常采用傳統(tǒng)種植方式，導(dǎo)致設(shè)施種植資源利用率和蔬菜產(chǎn)量不高［1］。據(jù)調(diào)查，目前設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中存在施肥過量、養(yǎng)分不平衡、肥料利用率低、果實品質(zhì)變差等問題，隨著種植年限的增長，設(shè)施土壤性狀逐漸變差［2］。連續(xù)高氮投入易造成設(shè)施土壤氮素供應(yīng)偏高，當(dāng)季施用氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸消失［3］。連續(xù)過量施氮肥，使得土壤孔隙增加，加劇氮素淋失［4］，刺激土壤硝化作用［5］，增加土壤硝態(tài)氮含量，降低土壤保氮能力，在增加肥料成本的同時也不利于蔬菜果實品質(zhì)和產(chǎn)量的提高［6］，降低肥料利用效率［7-8］。2015 年以來農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織實施化肥使用量零增長行動，“十四五”期間科學(xué)施肥仍是農(nóng)業(yè)部門的重點研究工作。

我國設(shè)施蔬菜需要合理施用化肥，研發(fā)區(qū)域適宜性強的設(shè)施蔬菜化肥施用技術(shù)，保持優(yōu)良的水土環(huán)境，降低水土流失風(fēng)險，提高化肥利用效率意義重大。目前關(guān)于設(shè)施蔬菜水肥技術(shù)的研究較多，有學(xué)者研究了優(yōu)化施肥下設(shè)施菜地土壤容重與孔隙度的變化［9］，有機肥施用下土壤團聚體穩(wěn)定性的變化［10］、溫室土壤硝態(tài)氮和鹽分的變化［11］。不同氮處理對溫室蔬菜品質(zhì)的影響［12-13］，氮肥抑制劑減排溫室氣體的規(guī)律［14］等。這些研究結(jié)果在不同區(qū)域的各類設(shè)施蔬菜上均會有差異。本研究針對河北省設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中存在的施氮肥過量、氮肥效率低、氮素損失嚴(yán)重、果實品質(zhì)變差等問題，在田間原位試驗條件下，設(shè)置6 個處理：農(nóng)民習(xí)慣施氮肥（N1）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮10%（N2）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮20%（N3）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮30%（N4）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮50%（N5）、不施氮肥（N6），研究不同氮肥減施處理對設(shè)施黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤氮素轉(zhuǎn)化、氮肥利用的影響，為研究區(qū)域設(shè)施蔬菜合理施用氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2020 年5 月15 日在河北省保定市清苑區(qū)北店鄉(xiāng)林水屯村的立中蒙養(yǎng)農(nóng)場，北緯38o42'，東經(jīng)115o25'，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫12 ℃，年均降水500 mm。供試黃瓜為‘碩源先鋒517’。供試設(shè)施棚齡5 ～6 年。供試土壤為壤質(zhì)潮土，0 ～100 cm 土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1，該棚室一直種植瓜果類蔬菜。黃瓜生產(chǎn)期間供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含 K2O 50%）。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗設(shè)計

采用田間試驗法，設(shè)6 個處理，分別為：農(nóng)民習(xí)慣施氮肥（N1，900 kg/hm2）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮10%（N2，810 kg/hm2）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮20%（N3，720 kg/hm2）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮30%（N4，630 kg/hm2）、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮50%（N5，450 kg/hm2）、不施氮肥（N6，0 kg/hm2），各處理除了氮肥不同外，磷鉀肥均一致，P2O5、K2O 施用量分別為450、1 200 kg/hm2，每個處理23 m2，重復(fù)3次，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)中不同肥料混好施入土壤。各處理的氮肥40%、磷肥全部和鉀肥的40%均作為基肥施入，其余60%氮肥和60%鉀肥分6 次（每次各10%）施入，結(jié)合灌水，其他田間管理措施均一致，除施肥外的其他管理措施均按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進行。5 月30 日將適齡穴盤苗定植于設(shè)施大棚，8 月31 日收獲完成。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤指標(biāo) 在初瓜期、末瓜期采集土壤樣品，每20 cm 1 層， 采 樣 深 度 為100 cm。 用2 mol/L的KCl 溶液浸提過濾后采用Smart Chem200 全自動化學(xué)分析儀測定土壤樣品中NH-N 和NO-N含量［15］。

1.3.2 黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì) 從初瓜期至末瓜期，每小區(qū)選取6 株具有代表性的黃瓜植株，做標(biāo)記，記錄黃瓜總數(shù)量和收獲總重量，按種植面積折合產(chǎn)量。

在盛瓜期，分別在每小區(qū)隨機挑選出代表性的黃瓜果實3 根，粉碎打汁后，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法測定維生素C 含量；采用便攜式硝酸鹽反射儀測定硝酸鹽含量［16］。

1.3.3 氮肥效率計算［17］氮肥生產(chǎn)效率（kg/kg）=果實產(chǎn)量/純氮施用量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施氮區(qū)果實產(chǎn)量-不施氮區(qū)果實產(chǎn)量）/純氮施用量。

1.3.4 0 ～100 cm 土壤氮素平衡計算方法［18］氮表觀損失=（施氮量+初始氮累積+礦化量）-（作物吸氮量+殘留氮累積）；

氮盈余量=總輸入氮-總輸出氮+殘留氮累積量；

初始氮累積指未施肥前土壤各土層無機氮累積量之和；殘留氮累積指黃瓜拉秧后各土層無機氮累積量之和；礦化量：根據(jù)不施氮區(qū)作物吸氮量與試驗前后凈變化估計，礦化量=不施氮區(qū)作物吸氮量+不施氮區(qū)殘留氮累積量-不施氮區(qū)初始氮累積量；作物吸氮量測定：取定量植物樣烘干后粉碎，用濃H2S04-H2O2消解，采用流動分析儀法測定全氮含量，本試驗計算作物吸氮量取黃瓜莖、葉、瓜3 部分之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據(jù)的處理和相關(guān)圖表繪制，使用SPSS 22.0 軟件（Duncan）進行顯著性檢驗，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施對設(shè)施黃瓜產(chǎn)量的影響

由表2 結(jié)果可知，N1 ～N5 處理的瓜條單瓜重、瓜長、瓜粗及產(chǎn)量分別高于N6 處理5.50%～46.88%、21.72% ～31.86%、33.44% ～50.64%、31.15% ～42.49%。與N1 相比，N2 的單瓜重、瓜長、瓜粗和產(chǎn)量均沒有顯著變化；N3 的單瓜重、單瓜長和產(chǎn)量分別顯著增加20.26%、8.0%、34.62%；減氮30%以上（N4 ～N6）處理的單瓜重、單瓜長、單瓜粗和產(chǎn)量分別降低5.73%～17.83%、0.34%～18.12%、7.15%～32.49%、6.08%～37.55%。說明施氮肥比不施氮肥處理的黃瓜產(chǎn)量明顯增加，在農(nóng)民習(xí)慣施氮肥的基礎(chǔ)上，隨著氮肥減施黃瓜產(chǎn)量呈先升再降的趨勢，氮肥用量減少20%以內(nèi)不會降低黃瓜產(chǎn)量，且瓜條性狀更好；但當(dāng)減氮30%以上時黃瓜產(chǎn)量開始逐漸降低。

表2 氮肥減施對設(shè)施黃瓜產(chǎn)量性狀的影響Table 2 Effects of nitrogen reduction on yield characters of greenhouse cucumber

2.2 氮肥減施對設(shè)施黃瓜品質(zhì)的影響

氮肥施用量對黃瓜Vc、可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸鹽等品質(zhì)指標(biāo)的影響，如表3 所示，與N1 相比，N3 的瓜條Vc、可溶性蛋白、可溶性糖含量均最高，其中Vc 和可溶性蛋白質(zhì)含量分別提高8.34%、8.19%，可溶性糖含量顯著提高26.21%；N3 ～N5 的瓜條硝酸鹽含量降低1.76%～30.68%，其中N5 顯著降低30.92 mg/L。與N6 比，N1 ～N4的黃瓜Vc、硝酸鹽含量分別提高8.66%～18.08%、13.65%～30.59%；N1 ～N5 的黃瓜可溶性蛋白含量提升32.77%～110.92%；N1、N3、N4 的黃瓜可溶性糖含量增加22.88%～56.78%?？梢?，合理施用氮肥可以改善黃瓜品質(zhì)，但過量施用氮肥黃瓜品質(zhì)變差，尤其是增加黃瓜硝酸鹽含量，本試驗中在農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮20%～30%時黃瓜品質(zhì)更佳。

表3 氮肥減施對設(shè)施黃瓜品質(zhì)的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction on greenhouse cucumber quality

2.3 氮肥減施對土壤銨態(tài)氮時空分布的影響

初瓜期，同一土層，隨著氮肥減施量增加，土壤銨態(tài)氮含量逐漸減少，各處理間銨態(tài)氮大小順序為：N1>N2>N3>N4>N5>N6；0 ～100 cm 內(nèi) 隨 著土壤深度增加銨態(tài)氮呈先減少后增加再減少的“S”型變化，增加的拐點在40 ～80 cm。與N1 相比，0 ～20 cm、40 ～60 cm 土層，N2 ～N5 的銨態(tài)氮分別降低5.38% ～10.75%、0.60% ～16.14%。與N3 相比，20 ～60 cm 土層的N4、N5 銨態(tài)氮含量降低5.73% ～10.94%；80 ～100 cm 土層N1、N2的銨態(tài)氮提高11.04% ～14.03%。N1 ～N5 各土層的銨態(tài)氮均高于N6，與N6 相比在0 ～20 cm 土層N1 ～N5 銨態(tài)氮含量高出0.92 ～1.52 mg/kg，80 ～100 cm 高出0.45 ～1.16 mg/kg。

末瓜期，不同處理的土壤銨態(tài)氮含量隨土層深度增加而逐漸降低，同一土層，隨著氮肥減施數(shù)量增加土壤銨態(tài)氮逐漸減少，有N1>N2>N3>N4>N5>N6，N6處理的銨態(tài)氮含量均低于其他處理。各處理銨態(tài)氮變幅為1.34 ～4.88 mg/kg；銨態(tài)氮含量在0 ～40 cm 較高。與N1 相比，0 ～100 cm 各土層N2 ～N5 處理銨態(tài)氮分別減少0.29 ～1.02 mg/kg、0.2 ～1.42 mg/kg、0.45 ～1.29 mg/kg、0.24 ～1.11 mg/kg、0.15 ～1.05 mg/kg。說明除植物吸收外，部分銨態(tài)氮隨灌溉淋溶到深土層，施氮量過高導(dǎo)致銨態(tài)氮在土壤中各層殘留增加。

根據(jù)圖1 可知，末瓜期各處理各土層銨態(tài)氮含量均低于對應(yīng)土層初瓜期銨態(tài)氮含量，土壤銨態(tài)氮含量隨黃瓜生長發(fā)育逐漸降低，0 ～100 cm 土層末瓜期各處理銨態(tài)氮含量較初瓜期降低幅度為0.28 ～2.17 mg/kg。

圖1 氮肥減施對土壤銨態(tài)氮時空分布的影響Fig.1 Effect of nitrogen reduction on NH-N of soil

2.4 氮肥減施對土壤硝態(tài)氮時空分布的影響

由圖2 可知，末瓜期各處理土壤硝態(tài)氮含量均小于初瓜期。初瓜期，0 ～100 cm 內(nèi)隨著土壤深度增加硝態(tài)氮呈先減少后增加又減少的“S”型，但增加的拐點在60 ～80 cm，各土層硝態(tài)氮變幅為20.38 ～47.16 mg/kg。同一土層，隨著氮肥減施數(shù)量增加，土壤硝態(tài)氮含量逐漸減少，呈N1>N2>N3>N4>N5>N6 的趨勢。土壤硝態(tài)氮主要集中在0 ～20 cm 和20 ～40 cm；與N1 相比，0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm 土層N2 ～N5 土壤硝態(tài)氮分別減少1.63 ～13.87、0.94 ～ 7.03、3.60 ～ 7.09、1.89 ～ 5.43 、4.05 ～5.72 mg/kg。N3 處 理 中，0 ～20 cm、60 ～80 cm 土層硝態(tài)氮含量較N4、N5 分別提高4.52%～24.66%、4.34%～5.49%。說明黃瓜生長初期，土壤硝態(tài)氮含量集中在土壤表層，施氮量越高土壤中硝態(tài)氮含量積累越多，這與銨態(tài)氮表現(xiàn)趨勢一致。

圖2 氮肥減施對土壤硝態(tài)氮時空分布的影響Fig. 2 Effect of nitrogen reduction on NO-N of soil

末瓜期，隨著植物吸收和土壤氮素轉(zhuǎn)化，各處理在不同土層硝態(tài)氮含量比初瓜期整體降低。同一土層，隨著氮肥減施數(shù)量增加土壤硝態(tài) 氮 逐 漸 減 少， 有N1>N2>N3>N4>N5>N6，N6 處理的各土層硝態(tài)氮含量分別均低于其他處理2.30 ～11.18 、3.64 ～11.64、2.47 ～11.56、3.73 ～ 10.46 、3.93 ～11.44 mg/kg，N1 處 理各土層深度的硝態(tài)氮含量均大于其他處理。與N1 相 比，0 ～100 cm 各 土 層N2 ～N5 處 理硝 態(tài) 氮 分 別 減 少2.83 ～8.88 、3.80 ～8.00、4.93 ～9.09、4.53 ～6. 73、4.55 ～7.51 mg/kg。0 ～60 cm 土層硝態(tài)氮含量各減氮處理間（N2 ～N5）相差較大，60 ～100 cm 土層硝態(tài)氮含量減氮處理間（N2 ～N4）相差不大。說明黃瓜生長后期，隨著植物吸收，部分硝態(tài)氮隨灌溉淋溶到深土層，施氮量過高導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤中各層殘留增加。

2.5 氮肥減施對土壤氮素平衡的影響

表4 表明，施氮水平對黃瓜氮素表觀損失有重要影響。氮素輸入主要來自施入氮肥，化肥氮占總輸入量的55.99%～71.79%。氮素輸出中土壤殘留氮的累積占比最多為78.56%～82.47%。從作物吸收來看，隨著施氮量減少植物吸收氮呈先升后降趨勢，N2 和N3 處理植物吸收氮素較多，比農(nóng)民習(xí)慣施氮肥的N1 處理提高10.97%、3.01%，N5 處理吸收最少。隨著施氮量減少收獲后土壤中殘留氮累積量逐漸降低，N1 收獲后的土壤氮素殘留最高，較N2 ～N6 提高66.16 ～196.10 kg/hm2。土壤—黃瓜系統(tǒng)中的氮素表觀損失隨減氮量增加而減少；N5 表觀損失量最小，較N1 降低290.34 kg/hm2，說明造成土壤氮素表觀損失的主要原因是施肥量大。收獲后土壤中無機氮殘留累積量在土壤氮素中有重要地位，氮盈余與無機氮殘留量變化趨勢相似，表現(xiàn)為隨減氮量增大氮盈余量減少，與N1 相比，N2 ～N5氮素盈余量降低101.35 ～427.74 kg/hm2。說明合理減少氮肥施用，有利于減少氮素損失，降低土壤氮盈余量。

表4 氮肥減施對氮素損失的影響Table 4 Effects of nitrogen reduction on nitrogen loss

通過計算，N1、N2、N3、N4、N5 氮肥生產(chǎn)效率分別為71.56、81.21、92.55、96.01、118.31 kg/kg，5 個處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率分別為26.87、31.56、36.69、32.17、28.93 kg/kg。與N1 相比，N2 ～N5氮肥生產(chǎn)效率顯著提高13.49%～65.33%，N5 的氮肥生產(chǎn)效率最高；N2 ～N5 氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著增加7.68%～36.54%，N3 的氮肥農(nóng)學(xué)效率最高。

3 討論與結(jié)論

過量施入氮肥不僅造成設(shè)施蔬菜減產(chǎn)，而且品質(zhì)下降［19］。蔬菜果實品質(zhì)與肥料投入呈正相關(guān)，一定閾值后呈負相關(guān)［20］。研究表明，優(yōu)化施肥施氮488 kg/hm2后黃瓜果實的Vc、可溶性蛋白、可溶性糖分別提高39.6%、29.3%、17.7%，硝酸鹽降低20.6%［21］。本試驗中與農(nóng)民習(xí)慣施氮肥比較，在減氮20%以內(nèi)時（N2 和N3）黃瓜產(chǎn)量較高增加1 375 ～2 230 kg/hm2，N3 的黃瓜Vc、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖分別增加8.34%、8.19%、26.21%，硝酸鹽降低1.76%。

過量施氮使土體無機氮殘留和氮表觀損失均顯著增加，加劇土壤氮素累積，增加氮素污染風(fēng)險［25］。減氮處理可有效降低土壤氮盈余及潛在面源污染風(fēng)險。據(jù)報道，多年設(shè)施土壤硝態(tài)氮含量大幅度提高，生產(chǎn)中水肥過量氮素淋溶量過高［22］，種植期間總氮流失量隨著施肥量減少而降低，施肥量與肥料氮素流失密切相關(guān)，減少施氮量是控制菜地氮素流失的重要方式之一［24］。徐捷［23］表明減氮20%～40%時甘藍的氮素利用率高于常規(guī)施肥41.34%～74.39%?？荛L林［26］在設(shè)施番茄試驗得出優(yōu)化施氮肥500 kg/hm2比農(nóng)民習(xí)慣施肥的土壤硝態(tài)氮積累量降低43.35%，表觀氮損失降低42.20%。王亞玲［27］在黃瓜試驗中表明進行適當(dāng)減氮處理可提高氮磷鉀的農(nóng)學(xué)效率。本研究土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮最高值均出現(xiàn)在表層，隨施氮量增加土壤各層殘留硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均增加，向深層移動的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮也增加，N2 ～N5 處理殘留氮累積量雖比不施氮肥處理增加58.71 ～129.94 kg/hm2，但遠低于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理（N1）殘留氮累積量。N1 處理的氮盈余、氮表觀損失比N2 ～N5 分別多8.81% ～37.19%、5.31% ～43.77%，隨施氮量增加，向下層淋洗量也較多。減氮處理中N2、N3 處理的土壤銨態(tài)氮含量較高，這是促進其氮素轉(zhuǎn)化和吸收利用的主要原因，該處理的黃瓜產(chǎn)量也較高，與N1 相比，N2 ～N5 氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著增加7.68%～36.54%，N3 的氮肥農(nóng)學(xué)效率最高。

綜上，在農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮20%以內(nèi)時，可以控制設(shè)施菜地氮素有效轉(zhuǎn)化、促進吸收和利用，提高黃瓜產(chǎn)量，改善果實品質(zhì)，減少氮素淋溶和表觀損失；同時考慮經(jīng)濟效益，以農(nóng)民習(xí)慣施氮肥減氮20%效果和效益較佳。